楊啟鵬

在金屬切削過程中,刀具在高溫條件下,受到工件、切削的摩擦作用,使刀具材料逐漸被磨耗或出現(xiàn)破損。當?shù)毒吣p達到一定程度時,容易引起震動、嘯音、切削形態(tài)和顏色的改變,加工精度和表面光潔度下降,切削力和動力消耗隨之增加。所以研究刀具磨損原因,防止刀具過早、過多磨損以及如何延長刀具使用壽命,這是影響生產(chǎn)效率、加工成本和加工質(zhì)量的一個重要課題。

刀具磨削時有以下幾種磨損機理。

(1)磨粒磨損:在工件材料中存在著碳化物、氧化物和氮化物等硬質(zhì)點。在鑄、鍛工件表面上存在著硬的夾雜物和切屑、加工表面上粘著硬的積屑殘留片,這些硬質(zhì)點在切削時如同“磨?！睂Φ毒弑砻婺Σ梁涂虅澴饔弥率骨邢魅械睹婺p。磨粒磨損時一種“機械摩擦”性質(zhì)磨損,時高速鋼磨損的主要原因。

(2)相變磨損:工具鋼刀具在較高速度切削時,由于切削溫度升高,使刀具材料產(chǎn)生相變,硬度降低,若繼續(xù)切削,會引起前面塌陷和切削刃卷曲。硬質(zhì)合金刀具在高溫(>900℃)、高壓狀態(tài)下切削也會因產(chǎn)生塑性變形而失去切削性能。因此,相變磨損是一種“塑性變形”破損。

(3)黏結(jié)磨損:黏結(jié)磨損亦稱冷焊磨損。當?shù)毒卟牧吓c工件材料產(chǎn)生黏結(jié)時,兩者長生相對運動對黏結(jié)點產(chǎn)生剪切破壞,將刀具材料黏結(jié)顆粒帶走所致。刀面與工件間產(chǎn)生黏結(jié)是由于刀面上存在著微觀不平度,并在一定溫度條件下,刀具前面黏結(jié)著機械瘤刀面硬度降低與工件材料黏結(jié)及工件與工具元素間親和造成的。在高溫高壓作用下刀具表面層材料性能變化,當工件與刀具產(chǎn)生相對運動時,刀具材料的黏結(jié)顆粒被帶走而形成了黏結(jié)磨損。

(4)擴散磨損:擴散磨損是在高溫作用下,使工件與工具材料中合金元素相互擴散置換造成的。如:硬質(zhì)合金中的鎢原子和碳原子向切屑擴散,切屑中鐵、碳原子向刀具擴散,從而改變刀具表面材料,減低了刀具的硬度和耐磨性從而造成刀具磨損。

(5)化學磨損:化學磨損是在一定溫度下,刀具材料與某些周圍介質(zhì)(如空氣中的氧,切削液中的極壓添加劑硫、氯等)起化學作用,在刀具表面形成一層硬度較低的化合物,而被切屑帶走,加速刀具磨損;或者因為刀具材料被某種介質(zhì)腐蝕,造成刀具磨損。

由上可知,合理選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)以及切削速度和溫度的變化對提高刀具的耐磨性、耐熱性和化學穩(wěn)定性都是至關(guān)重要的。

圖1為硬質(zhì)合金刀具在不同溫度下各種磨損所占的比例關(guān)系。

低速時硬質(zhì)合金容易碎裂,形成不正常磨損,圖中未畫出。高速時主要磨損是黏結(jié)磨損和擴散磨損。在高速區(qū)域,擴散磨損增加很快,黏結(jié)磨損仍有相當比例總的磨損隨切削速度和溫度的增加而增加。在中速區(qū)域,在擴散磨損還沒有急劇增加以前,假如工件材料的硬度下降而硬質(zhì)合金的硬度基本沒有下降,則黏結(jié)磨損會相應減少,于是在總的相對磨損曲線上出現(xiàn)一個最低點。因此,針對不同工件材料和刀具材料,可以通過不同辦法改善刀具磨損。

對于鉸刀﹑絲錐﹑拉刀等低速切削刀具,使用潤滑性能好的切削液可以有效的減少刀具磨損,提高刀具的耐用度。

正確使用和選擇切削液對刀具保護是至關(guān)重要的。切削液對切削過程影響極大,特別是形狀復雜的高速鋼刀具(如拉削、齒輪加工、螺紋加工)或切削難加工材料等場合影響更加顯著。切削液選擇得當可以選擇更大的切削用量以提高生產(chǎn)率,可以降低成本,提高刀具的耐用度,降低已加工表面的粗糙度值,提高加工精度降低消耗功率。切削液還可以配合各種添加劑,使刀具更加耐熱、抗壓以及有防銹的作用。

在刀具表面涂覆一層或多層難容金屬碳化物。涂層合金有較好的綜合性能,基體強度任性好,表面耐磨、耐高溫。常見涂層主要有:TiC和TiN和,AI2O3及其復合材料。刀具的涂層如同一道抗熱屏障能阻值切削熱傳遞到刀具基體上,盡可能使熱傳到切屑中,使刀具在切削過程中保持較冷狀態(tài)。刀具涂層的高化學穩(wěn)定性阻止了刀具元素向工件擴散,保持刀具材料硬度,大大減少擴散磨損。涂層的高硬度和高耐磨度也有效地減少了磨粒磨損。對前后刀面起到保護作用。

在用高速鋼車削鋁合金時,鋁合金在高溫下易熔化,并粘在刀尖上形成積屑瘤,影響零件的表面粗糙度。但積屑瘤硬度比較高可以保護刀刃,代替刀刃切削,適合于粗加工。而在中低速時,刀具表面不容易形成氧化膜,為了保證加工精度和保護刀具應使用潤滑性能好的切削液,主要可以減少刀具表面的黏結(jié)磨損。而當切削溫度過高時,刀具表面必然要發(fā)生擴散磨損和化學磨損時,則應在道具表面加TiC涂層從而提高刀具抗磨損能力。

在機械加工領(lǐng)域,刀具的質(zhì)量與壽命將直接影響到工件的質(zhì)量和經(jīng)濟效益,所以研究刀具磨損及改善措施的意義及其重大。各種新技術(shù)和新型刀具的研究與研發(fā)將會給機械切削領(lǐng)域帶來巨大的變革?！?(編輯/穆楊)